基于BIM技術的面板堆石壩施工管理研究

陳 園

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

1 引言

BIM（Building information Modeling）是由 Chuck M.Eastman在1975年提出的一種集數字化、信息化于一體的新型建筑信息模型[1]，在實際的優(yōu)化設計、工程建設、施工管理、工程咨詢等方面有廣泛的應用[2]。

隨著BIM的廣泛應用，國內外對BIM越來越重視對其研究越來越多，在歐美國家尤其明顯。例如將BIM用于工程項目的智能化管理[3]；Kymmel提出將BIM作為實現項目構建、規(guī)劃、施工、運行、管理為一體的三維模型[4]；另外BIM還可用于進行不確定性分析對項目進行評估[5～6]，進而降低工程的成本，更加有效進行管理。在21世紀初期BIM技術逐漸在我國開始流行，雖然時間較短，但是對于BIM的研究發(fā)展速度還是較快[7～8]。2011年住建部明確要加強BIM在工程中的應用[9]，陸續(xù)制定了相關標準規(guī)范，但是對于實際應用，還是比較缺乏。

本文在此基礎上將BIM技術應用于常見的面板堆石壩，研究其在面板堆石壩施工進度管理中的應用，為工程的實際建設提供理論依據。

2 模型建立

以某水利樞紐為工程基礎來進行研究。該樞紐由水庫、廠房、輸水系統(tǒng)和附屬設施等組成。流域面積為124 km2，正常蓄水位為541.60 m，詳細特征水位見表1。混凝土壩高為101.9 m，面板堆石壩的壩面爬坡度均為1∶1.5。

表1 壩前特征水位

根據工程基礎信息對施工過程進行可視化模擬，進而對施工進度進行管理。首先進行BIM團隊組織的構建，BIM團隊組織根據工程實際情況進行安排和調整，實現人力資源的最優(yōu)化。BIM團隊主要由工程師、技術研究團隊、應用開發(fā)團隊、技術支持團隊、系統(tǒng)管理團隊、數據維護團隊、項目標準管理團隊等組成，BIM團隊組織結構見圖1。

圖1 BIM組織結構圖

根據工程地質材料采用Civil 3D軟件進行地形三維建模，見圖2。

圖2 三維地形圖

在地形圖的基礎上建立面板堆石壩三維模型，根據工程壩體內材料的不同分為特殊墊層區(qū)、墊層區(qū)、堆石區(qū)、反濾層、壩面防護、防滲區(qū)等。根據情況將對應的數據錄入BIM對應軟件中，構建模型。本項目需要土石挖方796萬m3，混凝土澆筑29.8萬m3、過渡料填筑9.4萬m3、墊層料填筑量為4.9萬m3、回填灌漿1.05萬m3、碎石量為6.7萬m3以及其他需要的材料。使用三維建模軟件創(chuàng)建的面板堆石壩BIM模型見圖3。

圖3 面板堆石壩BIM模型

3 施工進度三維動態(tài)模擬

根據工程施工的大致流程確定施工的關鍵路線及進度表。在施工中壩體由不同部分組成，施工順序為優(yōu)先進行壩基開挖，然后進行截流和下趾板結構的施工，下趾板施工完成后進行下墊層和過渡區(qū)的填筑，然后進行堆石體的填筑，堆石體優(yōu)先進行大粒徑的塊石，然后礫石最后進行砂石的填筑，在填筑的過程中需要混凝土進行加固，填筑完成后進行面板的澆筑，最后進行周邊附屬設施的施工。具體見圖4。

圖4 簡易施工流程圖

施工流程確定后進行三維動態(tài)模擬，使用Navisworks軟件進行面板堆石壩壩體的施工過程仿真模擬。在施工過程中壩面堆石采用平起法，使壩面可以相對平整的施工受力均衡。圖5為采用BIM技術進行壩體澆筑預演過程。采用圖5預演方案進行施工，按照圖4施工流程圖進行澆筑，在實際施工中將壩體切割為多個工作區(qū)域，同時進行施工來提高施工效率。

圖5 BIM技術在壩體施工中的預演

Navisworks軟件對施工流程進行自我檢查合格后開始進行動態(tài)模擬，若發(fā)現與前期導入的標準規(guī)范有誤差的話會有提醒，對于過大的誤差會停止進程進行修改后重新進行模擬，具體模擬過程見圖6。

圖6 基于BIM技術的壩體三維動態(tài)施工過程

根據圖6可知，BIM技術將各專業(yè)人員匯集在一起可以實現面板堆石壩的整個動態(tài)施工，可以根據設定好的程序按照順序逐步進行壩體的施工。在施工中不同顏色代表不同的部分，BIM技術系統(tǒng)會自動的進行檢查并對檢查結果進行反饋，當出現較大的誤差可能影響安全時，系統(tǒng)會及時的反饋出來進行調整。經過多次的調整可使施工進度及安全問題達到整體最優(yōu)化，進而可以節(jié)約工期提高施工效率。

4 采用灰色系統(tǒng)理論進行評價

采用灰色系統(tǒng)理論對BIM技術在面板堆石壩施工的應用進行評價。BIM模型項目成熟度可以分為五個等級：初始級、可重復級、定義級、管理級、優(yōu)化級。隨著BIM信息的逐漸豐富和完善，項目的成熟度會逐漸增加，表明項目的預期成果與實際成果之間越來越接近。依據BIM成熟度模型進行評價，構建BIM信息成熟度模型指標評價體系見圖7。主要分為信息因素、組織因素和交互方式因素三大類，針對每類因素進行細分。

圖7 BIM信息成熟度模型指標評價體系

對于評價體系采用10分制，評分標準見表2。根據評分標準可以邀請一定數量的專家進行打分組成一個矩陣，本項目邀請10位專家打分評價矩陣見表3。

表2 評分標準

表3 專家打分評價矩陣

由灰度及白化函數得出灰色模糊評價矩陣R，參考序列U0如下：

對U0進行相關計算，令分辨系數為0.5，可以得到關聯系數如下：

對關聯度進行歸一化處理得出評價指標的權重集合為：W=(0.056,0.057,0.058,0.062,0.061,0.057,0.062,0.048,0.051,0.063）

模糊評價矩陣為：

系數調整矩陣A為：

最終得出評價系數為：

根據評分標準可知此項目在施工進度管理上處于“管理級”，說明BIM技術信息基本已經滿足需要，但是在交流方式和平臺管理上，還不夠完善需要進行進一步的完善來達到“優(yōu)化級”。

5 結論

本文將BIM技術與仿真軟件結合應用于面板堆石壩中對其施工進度進行管理研究，BIM可以很好地對面板堆石壩的施工進行動態(tài)管理，根據施工過程中出現的問題進行優(yōu)化處理，進而提高施工的質量和效率。

采用灰色系統(tǒng)評價法對BIM技術的應用進行評價得出評價系數為7.38，處于“管理級”，說明BIM技術在此工程建設中理論已經比較成熟，可以進行應用。在應用中需要加強對BIM技術平臺的管理，使得工程建設效率達到最優(yōu)化。